文/孟海栗

隨著汽車數(shù)量的持續(xù)增加，汽車排放對大氣環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重。汽車的主要污染物來自尾氣，其次是曲軸箱泄漏和燃料供給系統(tǒng)中燃油的蒸發(fā)。燃油蒸發(fā)排放的主要成分為碳氫化合物（HC），約占汽車總HC排放量的20%。為了改善空氣質(zhì)量，世界各國都制定了越來越嚴(yán)格的汽車蒸發(fā)污染物排放法規(guī)。

一、新標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著我國對環(huán)境保護重視程度的不斷增加，機動車環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 18352.6-2016《輕型汽車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》已經(jīng)發(fā)布，而其中燃油蒸發(fā)和加油排放的試驗方法向更為嚴(yán)格的美國標(biāo)準(zhǔn)方向靠攏，試驗難度大大增加。但同時也將促進企業(yè)加快推出新的控制燃油蒸發(fā)排放污染物控制裝置，更會對檢測機構(gòu)的技術(shù)人員和設(shè)備提出更加嚴(yán)苛的考驗。

活性碳罐作為對汽車蒸發(fā)污染物排放控制的關(guān)鍵附件，主要用于車輛靜止、運行時以及加油過程中的油蒸汽吸附，其性能直接影響蒸發(fā)污染物排放控制的好壞，同時對GB 18352.6-2016中燃油密閉蒸發(fā)和加油排放的實驗結(jié)果造成直接影響，而碳罐性能測試方法則主要根據(jù)HJ/T 390-2007《環(huán)境保護產(chǎn)品技術(shù)要求汽油車燃油蒸發(fā)污染物控制系統(tǒng)（裝置）》中“蒸氣貯存裝置初始工作能力試驗”。本文主要討論在該試驗過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，通過問題剖析、試驗、驗證，最終完善該試驗步驟，得到精確的試驗結(jié)果，相應(yīng)提高新車認證試驗的可靠性，為后續(xù)碳罐開發(fā)工作提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

二、碳罐的基本工作原理

根據(jù)碳罐的基本工作原理（見圖1），碳罐能有效儲存燃油系統(tǒng)中多余的油蒸汽，其吸附口與油箱直接連接，當(dāng)汽車處于靜止?fàn)顟B(tài)或行駛狀態(tài)時，油箱內(nèi)的燃油隨著外界熱量傳遞升溫而不斷揮發(fā)，油蒸汽通過管路從吸附口進入碳罐并被收集；為防止輕型汽車在加油過程中，油蒸汽從加油口溢出，對其加油口與油槍接合處進行特殊密封設(shè)計。這樣多余的油蒸汽會經(jīng)過吸附口進入碳罐。車輛行駛過程中，通過通氣口進入碳罐的新鮮空氣，會將碳罐吸附的油蒸汽通過脫附口帶入車輛發(fā)動機進行燃燒。整個過程既防止了多余的油蒸汽直接進入大氣污染環(huán)境，同時收集并再次進入發(fā)動機燃燒，對能源進行了充分合理的利用。

圖1 汽車碳罐的基本工作原理

三、 碳罐初始工作能力試驗方法關(guān)鍵步驟

1. 試驗方法關(guān)鍵步驟

碳罐初始工作能力試驗主要反應(yīng)碳罐對燃油蒸發(fā)物的吸附能力，測試過程分為吸附與脫附兩個部分。經(jīng)過數(shù)個試驗循環(huán)，計算碳罐吸附擊穿后的質(zhì)量與脫附完成后的質(zhì)量差來計算有效吸附量，作為工作能力。

按照吸附介質(zhì)的不同，試驗可以分為油蒸汽吸附法（GWC）和50%丁烷與50%氮氣混合吸附法（BWC）。按照測量試驗碳罐擊穿方式不同，試驗又可以分為輔助碳罐法和密閉室法。本文主要討論以50%丁烷與50%氮氣混合氣作為吸附介質(zhì)，同時采用輔助碳罐測量試驗碳罐擊穿的試驗方法。

按照HJ/T 390-2007的要求，“蒸氣貯存裝置初始工作能力試驗”方法主要有以下步驟:

① 使用50%容積丁烷和50%容積氮氣的混合氣對樣品碳罐進行吸附，直至臨界點（以輔助碳罐增長2 g作為臨界點）；

② 樣品碳罐稱重，W1（單位：g）；

③ 以（25±5）℃的干空氣對樣品碳罐進行脫附，脫附流量為（25±1）L/min，直至臨界點（以脫附氣體總量為樣品碳罐有效容積的600倍時作為臨界點）；

④ 樣品碳罐稱重，W2（單位：g）；

⑤ 計算樣品碳罐重量變化，記為W3=W1-W2；

⑥ 重復(fù)步驟1至步驟5，總計進行6次循環(huán)；

⑦ 取循環(huán)5中W3與循環(huán)6中W3的平均值，并除以樣品碳罐有效容積L，記為該樣品碳罐初始工作能力；

2. 碳罐初始工作能力測試主要設(shè)備

根據(jù)試驗方法，進行碳罐初始工作能力試驗需運用到碳罐綜合試驗系統(tǒng)（CANISTER LOAD UNIT），其中包括：電子天平、流量控制系統(tǒng)（控制丁烷、氮氣、空氣流量對樣品碳罐和輔助碳罐的脫附與吸附的流量）。

四、測試過程中存在的數(shù)據(jù)變異分析

按照HJ/T 390-2007的碳罐初始工作能力試驗方法，通過對樣品碳罐反復(fù)吸附（流量為40 g/h丁烷與氮氣1:1的混合氣）和脫附（流量為25 L/min的干燥空氣），計算出碳罐初始工作能力。

根據(jù)該試驗要求，對某樣品進行的試驗，其中單個試驗循環(huán)數(shù)據(jù)曲線（見圖2）：

圖2 碳罐初始工作能力試驗單循環(huán)數(shù)據(jù)圖

從圖2可看出，吸附環(huán)節(jié)自試驗開始至8 000 s左右，使用50%容積丁烷和50%容積氮氣的吸附混合氣對樣品碳罐進行吸附，樣品碳罐相對質(zhì)量持續(xù)上升，上升幅度較大；當(dāng)樣品碳罐接近飽和后，樣品碳罐相對質(zhì)量上升幅度減小，輔助碳罐相對質(zhì)量開始持續(xù)上升。當(dāng)輔助碳罐相對質(zhì)量上升2 g時，停止吸附混合氣供應(yīng)，作吸附臨界點，記錄樣品碳罐質(zhì)量W1；

脫附環(huán)節(jié)自吸附臨界擊點開始至試驗結(jié)束，當(dāng)吸附臨界點記錄樣品W1以后，應(yīng)立刻采用（25±5）℃干空氣對樣品碳罐進行脫附，脫附流量為（25±1）L/min。此時，樣品碳罐相對質(zhì)量持續(xù)下降，下降幅度非常大。當(dāng)脫附干空氣總流量為樣品碳罐有效容積的600倍時，停止脫附干空氣供應(yīng)，作脫附臨界點，記錄樣品W2。

通過實際操作結(jié)合試驗數(shù)據(jù)曲線，我們發(fā)現(xiàn)試驗過程中樣品碳罐的相對質(zhì)量存在兩個突變點，分別位于吸附臨界點與脫附臨界點。產(chǎn)生相對質(zhì)量突變的主要原因是由于停止吸附混合氣供應(yīng)和脫附干空氣供應(yīng)，氣路對樣品碳罐應(yīng)力瞬間變化所造成的。計算碳罐初始工作能力的樣品碳罐質(zhì)量取樣點正好位于吸附臨界點與脫附臨界點，若不考慮應(yīng)力變化造成的質(zhì)量數(shù)據(jù)突變，則會影響最終試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度。

五、碳罐初始工作能力試驗方法的優(yōu)化

為了避免試驗過程中由于氣路對樣品碳罐應(yīng)力瞬間變化導(dǎo)致質(zhì)量數(shù)據(jù)突變對最終試驗結(jié)果的影響，需要對碳罐初始工作能力試驗方法和取樣邏輯進行優(yōu)化。

在吸附環(huán)節(jié)，樣品碳罐吸附混合氣相對質(zhì)量持續(xù)上升；當(dāng)觸發(fā)吸附臨界點，停止混合氣供應(yīng)，氣路對樣品碳罐應(yīng)力發(fā)生變化，樣品碳罐相對質(zhì)量發(fā)生突變。由于沒有吸附混合氣通過樣品碳罐，故此時樣品碳罐絕對質(zhì)量并不發(fā)生變化，增加靜置時間T后，等待氣路應(yīng)力逐漸減小直至樣品碳罐絕對重量數(shù)值不再變化、樣品碳罐不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，此時記錄樣品W1。

在脫附環(huán)節(jié)，樣品碳罐受到干空氣脫附，相對質(zhì)量尺寸下降；當(dāng)觸發(fā)脫附臨界點，停止干空氣供應(yīng)，氣路對樣品碳罐應(yīng)力發(fā)生變化，樣品碳罐相對質(zhì)量發(fā)生突變。由于沒有干空氣通過樣品碳罐，故此時樣品碳罐質(zhì)量并不發(fā)生變化，增加靜置時間T后等待氣路應(yīng)力逐漸減小直至樣品碳罐絕對重量數(shù)值不再變化，樣品碳罐不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，此時記錄樣品碳罐質(zhì)量W2。

為了確認合適的靜置時間T，分別對不同質(zhì)量樣品碳罐應(yīng)力變化消除時間進行3次統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示：

表1 不同質(zhì)量樣品碳罐應(yīng)力變化消除時間s

根據(jù)表1數(shù)據(jù)統(tǒng)計，最終選擇將靜置時間設(shè)置為180 s。由于樣品碳罐應(yīng)力變化消除時間受到設(shè)備結(jié)構(gòu)影響較大，建議在不同試驗設(shè)備操作時，收集各重量樣品碳罐應(yīng)力消除時間作為靜置時間設(shè)置依據(jù)。經(jīng)過優(yōu)化后的試驗流程如下：

使用50%容積的丁烷和50%容積的氮氣的混合氣對樣品碳罐進行吸附，直至臨界點（以輔助碳罐增長2 g作為臨界點）；對樣品碳罐靜置時間180 s；樣品碳罐稱重，W1；以（25±5）℃的干空氣對樣品碳罐進行脫附，脫附流量（25±1）L/min，直至臨界點（以脫附氣體總量為樣品碳罐有效容積的600倍時作為臨界點）；對樣品碳罐靜置時間180 s；對樣品碳罐稱重，W2。其他步驟同。

六、總 結(jié)

經(jīng)過上述試驗方法和取樣邏輯的優(yōu)化，保證了樣品碳罐相對質(zhì)量W1與W2取樣時，樣品碳罐保持絕對質(zhì)量不變化、不受到額外氣路應(yīng)力的狀態(tài)，有效地消除了氣路應(yīng)力對取樣數(shù)據(jù)造成的影響，同時，符合HJ/T 390-2007碳罐初始工作能力試驗方法要求，確保了試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。